Ученые из Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова и МПТИ СВФУ с помощью передовых компьютерных технологий раскрыли удивительный секрет наноалюминия — материала с невероятно маленькими зернами. Оказалось, что чем меньше размер этих зерен, тем легче и при более низких температурах такой материал плавится. Это открытие может коренным образом изменить подход к созданию новых материалов и управлению их свойствами.
Используя метод молекулярной динамики, исследователи смоделировали поведение нанокристаллического алюминия с размером зерен от 2,5 до 10 нанометров. Для сравнения, толщина человеческого волоса — около 80 000 нанометров! Выяснилось, что привычный процесс плавления меняется на наноуровне. В обычном массивном металле плавление начинается сразу по всему объему. Но в наноалюминии всё иначе: первыми «сдаются» и переходят в жидкое состояние границы между зернами, и лишь затем волна плавления распространяется внутрь самих зерен.
Ключевую роль здесь играет избыточная энергия, которая накапливается именно на этих границах. Чем зерна мельче, тем больше общая площадь границ и тем выше эта избыточная энергия, которая буквально «подталкивает» материал к плавлению. Для самого мелкозернистого материала (2.5 нм) температура плавления опустилась до 780°C, что более чем на 250 градусов ниже, чем у идеального кристалла без дефектов!
Но у этой сверхспособности есть и обратная сторона. При нагреве, особенно когда зерна очень малы (меньше 4 нм), в материале начинается интенсивная рекристаллизация — зерна начинают быстро расти и меняться, пытаясь избавиться от нестабильности. Это означает, что такие ультрамелкие структуры недолговечны при высоких температурах.
Это фундаментальное исследование не только объясняет, почему предварительное измельчение порошков, например, в процессе механической активации, значительно снижает температуру воспламенения и синтеза новых материалов, но и открывает путь к проектированию материалов с заданными свойствами. Понимание этих процессов может привести к прорывам в аддитивных технологиях, создании покрытий и новых энергоэффективных производственных процессах. Будущее материаловедения — за наномасштабом!
Исследование опубликовано в журнале «Letters on materials».
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
